JP2561430B2 - ガスタービンコージェネレーションシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンによって
発電を行い、かつその排熱を利用するガスタービンコー
ジェネレーションシステムに関し、特に外気温度が高い
ときに効率的な運転を行うための方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、エネルギー有効利用技術の有力な
一手段として、ガスタービンコージェネレーションシス
テムが利用されている。ガスタービンコージェネレーシ
ョンシステムでは、ビルや工場などを１つの単位とし、
ガスタービン機関を用いて自家発電を行いながらガスタ
ービンからの排熱も同時に利用する。しかしながら、ガ
スタービン機関は、吸気温度が高くなると出力が低下す
る特性を有する。このため、夏期におけるような外気温
度が高いときには、良好な発電能力を発揮させることが
できない。

【０００３】吸気温度が上昇してもガスタービン機関か
らの出力が低下しないようにするための先行技術は、た
とえば特開昭６３−２１５８４１号公報、特開昭６３−
２１５８４２号公報、特開平３−１８２６３８号公報な
どに開示されている。これらの先行技術では、ガスター
ビン圧縮機の吸気ラインに熱交換器を設けて冷却する。
熱交換器の冷却媒体として、特開昭６３−２１５８４１
号公報の先行技術では、蒸気を利用する吸収式冷凍機か
らの冷水を用い、他の先行技術では、ターボ冷凍機から
の冷水を利用する。ガスタービン圧縮機の吸気を冷却す
ることによって、外気温度が高くなっても吸気温度の上
昇を抑え、ガスタービンコージェネレーション装置を効
率的に運転することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の先行技術では、
コージェネレーション装置が設置されているビル毎に、
蒸気駆動吸収冷凍機や電動機駆動ターボ冷凍機を設置し
て、吸気温度に基づいて冷水温度を制御する必要があ
る。吸気を冷却し過ぎると、タービン圧縮機の入口部で
流速が増すためさらに温度が低下して水分が氷結し、タ
ービン圧縮機のブレードなどを損傷するおそれがある。
このため冷水温度や吸気温度の制御は、精度と信頼性が
要求され、設備が増大し、制御が複雑となる。また、冷
凍機や制御機器のために大きな設置スペースが必要とな
る。

【０００５】本発明の目的は、地域冷暖房の熱媒と有機
的に組合わせてガスタービンコージェネレーション装置
を効率的に運転することができるガスタービンコージェ
ネレーションシステムを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、地域冷暖房に
より冷水が供給可能な範囲内に設置されるガスタービン
を含むコージェネレーションシステムであって、ガスタ
一ビンの圧縮機の吸気ラインに設置される間接冷却用の
熱交換器と、地域冷暖房により供給される冷水を熱交換
器に導き、圧縮機の吸気を冷却するための冷水制御弁
と、熱交換器によって冷却する前の吸気温度または外気
温度を検出する温度検出器と、温度検出器によって検出
された温度に従って冷水制御弁の開度を調整するコント
ローラとを含むことを特徴とするガスタービンコージェ
ネレーションシステムである。

【０００７】また本発明は、地域冷暖房により冷水が供
給可能な範囲内に設置されるガスタービンを含むコージ
ェネレーションシステムであって、ガスタ一ビンの圧縮
機の吸気ラインに設置される間接冷却用の熱交換器と、
地域冷暖房により供給される冷水を熱交換器に導き、圧
縮機の吸気を冷却するためのインバータ制御される冷水
ポンプと、熱交換器によって冷却する前の吸気温度また
は外気温度を検出する温度検出器と、温度検出器によっ
て検出された温度に従って冷水ポンプのインバータを制
御するコントローラとを含むことを特徴とするガスター
ビンコージェネレーションシステムである。

【０００８】

【０００９】

【００１０】

【作用】本発明に従えば、地域冷暖房プラントからの冷
水を熱交換器に導き、ガスタービン圧縮機の吸気を間接
的に冷却する。地域冷暖房プラントからは、たとえば６
±１℃に厳密に温度管理された冷水が供給される。この
冷水によって吸気を間接的に冷却するので、冷凍機など
を設置する必要はなく、その費用や設置スペースは不要
となる。また、冷水の温度も厳重に管理されており、そ
の最低温度よりも吸気温度が低くなることはないので、
冷水や吸気温度の複雑な制御は不要である。

【００１１】

【００１２】また本発明に従えば、冷却する前の吸気温
度または外気温度を検出し、この温度に従って冷水制御
弁の開度を調整し、熱交換器に供給する冷水を調整す
る。たとえば外気温度が高くなれば、冷水制御弁の開度
を大きくして冷水の流量を多くし、吸気温度の上昇を防
ぐ。外気温度が低くなれば、冷水制御弁の開度を小さく
して冷水の流量を少なくし、冷水の使用量を減少させ
る。

【００１３】また本発明に従えば、冷却する前の吸気温
度または外気温度を検出して、この温度に従って冷水ポ
ンプのインバータを制御する。たとえば外気温度が高く
なるときには、インバータを制御して、冷水ポンプの回
転数を高め、冷水の流量を多くして吸気温度の上昇を防
ぐ。外気温度が低くなり過ぎるときには、インバータを
制御して冷水ポンプの回転数を小さくし、冷水の流量を
減少させて使用量を減らす。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明の基礎となる構成を含むガス
タービンコージェネレーション装置の構成を示す。吸気
ａは、フィルタを介して周囲の空気から直接吸引され
る。吸気冷却器１は、吸気ａを間接的に冷却する。吸気
冷却器１は、たとえばパイプにフィンを機械的に組み込
んだプレートフィン式熱交換器によって実現される。冷
却された吸気ａは、ガスタービン圧縮機２に導入され
る。燃焼室３では、圧縮された空気を用いて、都市ガス
ｂを燃焼させる。燃焼ガスは１０００℃以上の高温高圧
となり、ガスタービン４で膨張仕事を行い、発電機５お
よびガスタービン圧縮機２を回転駆動する。発電機５か
らは、電力ｃが取り出される。ガスタービン４からの排
ガスは、排熱ボイラ６に導かれ、排熱を蒸気ｄとして回
収する。排熱を回収した排ガスは、煙突７から排出され
る。これらの吸気冷却器１、ガスタービン圧縮機２、燃
焼室３、ガスタービン４、発電機５および排熱ボイラ６
は、コージェネレーション装置８を構成する。

【００１５】吸気冷却器１には、地域冷暖房プラントか
らの冷水を供給する。この冷水は、通常５〜７℃の間で
目標温度が設定され、温度の変動は目標温度±１℃程度
の温度範囲（たとえば６±１℃）に正確に管理されてい
る。吸気を過冷却すると、ガスタービン圧縮機２の入口
部で流速が増加するので、さらに温度が低下して氷結の
危険性が生じる。冷却温度の下限は、ガスタービン圧縮
機２の構造などによって異なるけれども、一般に５℃程
度である。したがって、吸気を冷却するときには、一般
に冷却温度の制御や冷水自体の温度制御が必要となる。
しかしながら、地域冷暖房により供給される冷水は、通
常５〜７℃の温度に正確に管理されているので、複雑な
制御を行わなくても、氷結トラブルの発生を防止するこ
とができる。特に本実施例のような間接熱交換器を用い
る吸気冷却器１では、構造上、吸気が冷水の温度以下に
はならないので、ガスタービン圧縮機２の冷却温度の下
限よりも低くまで過冷却されるおそれはない。

【００１６】吸気冷却器１で吸気を５℃程度まで冷却す
ると、吸気は露点以下となって水分が凝縮する。凝縮し
た水分は、凝縮水ｅとして系外に排出する。地域冷暖房
により供給される冷水ｆは、吸気冷却器１内のパイプに
導かれ、吸気とは直接接触しないで間接冷却を行う。し
かしながら、間接冷却でも若干の水分ミストが発生する
ので、吸気冷却器１の下流側にはメッシュタイプ等のデ
ミスタを設置することが望ましい。冷水ｆが吸気に直接
接触する直接冷却の場合は、水分ミストの発生量が多く
なるので、水分ミストの除去を充分に行う必要がある。

【００１７】回収する蒸気ｄの圧力は、圧力検出器９に
よって排熱ボイラ６内の蒸気圧力を検出し、圧力制御弁
１０によって調整する。冷水ｆは、地域冷暖房プラント
からの冷水送り本管１１から供給され、冷水返り本管１
２に戻る。冷水ｆを吸気冷却器１に供給する経路には、
冷水ポンプ１３が設けられる。冷水ポンプ１３は、コー
ジェネレーション装置８が設置されるビル側所有の冷水
受入れ設備１４内に設けられる。冷水受入れ設備１４
は、冷水ポンプ１３の他、流量計や熱量計などが設置さ
れており、ビルで使用する冷水熱量を計測している。こ
のような冷水受入れ設備１４は、冷水ｆの受入れに関し
て直接接続方式であるけれども、他に熱交換器を介する
間接接続方式がある。また、直接接続方式については、
冷水ポンプを設置せずに冷水送り本管の供給圧力によっ
て直接供給する方法もある。ビルの冷房負荷に対応して
空調機１５が設けられ、そのための冷水ポンプ１６も冷
水受入れ設備１４内に設けられる。冷水ｆの流量、すな
わちガスタービンの吸気冷却負荷は、ビルの冷房負荷に
比べれば僅かである。

【００１８】図２は、ガスタービンコージェネレーショ
ン装置における吸気温度と最大発電出力との関係を示
す。ガスタービン４の構造などによって、その特性はＡ
やＢのように変化するけれども、一般に吸気温度が高く
なれば最大発電出力は低下する。

【００１９】ガスタービンの特性がＡであり、地域冷暖
房により冷水供給を受けているビル内に２９００ｋＷの
ガスタービンコージェネレーション装置が設置されてい
る場合を一つの例として説明する。発電機５からの出力
は、最高で２９００ｋＷである。コージェネレーション
装置８が設置されている機械室の夏期昼間の温度は３
６．５℃であり、相対湿度は５０％である。この状態の
吸気を１９℃冷却して１７．５℃まで低下させる。地域
冷暖房プラントから供給される冷水ｆの温度を６℃とす
る。この場合の発電増加量は、約５２０ｋＷであり、吸
気冷却の熱負荷は４７０Ｍｃａｌ／ｈである。したがっ
て、電力については、夏期昼間において５２０ｋＷ分の
購入電力費を削減できると同時に契約電力も５２０ｋＷ
分だけ小さくすることができる。また排熱ボイラ６から
回収される蒸気も約１．６ｔ／ｈだけ増加する。夏期昼
間の電力の従量料金を２０円／ｋＷ、冷水ｆの従量熱料
金を１５円／Ｍｃａｌとすると、これらのみによる経済
的な評価は次のようになる。

【００２０】 購入電力の削減：５２０×２０＝１０４００円／ｈ …（１） 購入熱量の増加：４７０×１５＝７０５０円／ｈ …（２） コージェネレーション装置８を、地域冷暖房プラント内
に設置する場合は、受入れ設備や冷水ポンプを介さずに
近くの冷水配管から自由に取り出すことができるため、
メリットはさらに大きくなる。

【００２１】吸気冷却器１やデミスタを設置すると、吸
気ラインの圧力損失が増加し、発電出力が若干低下す
る。本実施例では、吸気ラインの圧力損失は約３０ｍｍ
Ａｑ増加するので、発電出力は吸気冷却器１などを設置
しない場合に比べて約０．３％減少する。したがって、
吸気冷却器１やデミスタ部分は、取外し可能な構造と
し、吸気冷却を必要としない冬期にはこれを取外して運
転することが好ましい。

【００２２】図１では、吸気冷却熱負荷を制御していな
い。本構成によれば、吸気温度に関係なく冷水ｆを一定
量通水しても、氷結トラブルを防止することができる。
しかしながら、図２（Ａ）のような特性を持つガスター
ビン４については、吸気温度を１７．５℃以下に冷却し
ても発電される電力ｃの増加の効果がなく、冷水ｆの購
入熱量が増加し、経済的な効果が減少する。

【００２３】吸気冷却熱量を制御する一般的な方法とし
ては、吸気冷却器１の出口の吸気温度を検出し、冷水ｆ
の流量を制御する方法が考えられる。しかしながら、吸
気ダクトは、たとえば前述の２９００ｋＷのコージェネ
レーション装置８で、１．２×２．２ｍの断面形状であ
り、消音器などを除いて３ｍの長さである。このように
断面積が大きく、長さが抑えられているのは、吸気の圧
力損失を小さくするためである。したがって、吸気冷却
器１直後の吸気温度は、断面に対する検出位置によって
差が大きく不安定となり、この温度を検出して制御する
方法では、安定した運転を行うことができない。また冷
凍機によって冷水を冷却する先行技術では、冷凍機の起
動・停止や負荷変動によって冷水温度が変動し、過冷却
による氷結トラブルの原因となり易い。

【００２４】図３は、本発明の一実施例を適用するコー
ジェネレーション装置の構成を示す。本構成は、図１に
示す構成に類似し、対応する部分には同一の参照符を付
す。また、ガスタービン圧縮機２に対する吸気ａの冷却
に関連する構成を主として示し、他の構成部分は省略す
る。

【００２５】吸気冷却器１に吸入される吸気ａは、スク
リーン２１をフィルタとして用い、吸気フード２２、吸
気ダクト２３を介して導入される。吸気冷却器１に導入
された吸気は、冷水ｆによって間接冷却され、消音器２
４を介してガスタービン圧縮機２に供給される。吸気冷
却器１と消音器２４との間にはデミスタ２５が設けられ
る。デミスタ２５では、冷却された吸気中に含まれる水
分ミストを除去する。吸気冷却器１およびデミスタ２５
で凝縮した水分は、凝縮水ｅとして排出される。

【００２６】吸気ａの温度は、吸気ダクト２３の入口付
近で温度検出器２６によって検出される。温度検出器２
６の出力は、演算器２７で演算処理される。冷水ｆの流
量は、流量検出器２８によって検出され、流量コントロ
ーラ２９に与えられる。流量コントローラ２９は、流量
検出器２８によって検出される冷水ｆの流量と、演算器
２７からの吸気温度に対応する演算出力とに応答する。
冷水ｆの流量制御のためバイパス管路３０を設け、流量
調整弁３１、流量調整弁３２またはインバータモータ３
３によって流量の制御を行う。これら冷水制御弁である
流量調整弁３１，３２およびインバータモータ３３によ
る流量調整は、いずれか１つだけ行えばよい。温度検出
器２６によって検出される吸気温度は、温度表示器３４
によっても表示される。

【００２７】図４は、本発明の他の実施例を適用するた
めの構成を示す。本構成は、図３の構成に類似し、対応
する部分には同一の参照符を付す。本実施例では、演算
器３５は、演算器２７からの出力ｘ１ばかりではなく、
吸気冷却器１の出口温度に対応する温度検出器３６の温
度に従って温度コントローラ３７から導出される信号ｘ
２をも用いて冷水流量設定値信号ｙを流量コントローラ
２９に与える。この冷水流量設定値信号ｙは次の第３式
によって表される。

【００２８】 ｙ＝α×ｘ１＋β×ｘ２ …（３） ここで、α，βは係数であり、フィードフォワード制御
のみの場合は、α＝１、β＝０である。フィードバック
制御も考慮したほうがよい場合は、βの値を徐々に大き
くしてαの値を徐々に小さくする。

【００２９】図５は、吸気冷却器１の入口温度と、吸気
冷却器熱負荷との関係を示す。図５の吸気冷却器熱負荷
は、相対湿度を６０％に固定し、吸気冷却器出口温度を
１７．５℃にするめたに必要な熱負荷を示す。吸気冷却
器入口温度が４０℃のときの負荷を１００％としてい
る。吸気冷却器入口温度に対する冷水流量は、吸気冷却
器熱負荷を冷水流量に置き換えて設定する。実際は、吸
気冷却器１の伝熱面積は一定であるため、熱負荷が小さ
くなると余裕が大きくなり、吸気冷却器出口温度は１
７．５℃よりも若干低くなってバランスする。つまり、
吸気冷却器入口温度の変化によって熱交換器の温度差が
変化し、また冷水流量の変化によって熱交換器の総括伝
熱係数が変化するためである。したがって、これらの要
素を考慮して吸気冷却器入口温度と冷水流量設定値の関
係を作ることも可能である。このようにして、吸気冷却
器入口温度に対応して冷水流量を設定すれば、冷水の購
入熱量を削減することができ、安定な吸気冷却運転が可
能になる。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、地域冷暖
房により供給される冷水を利用してガスタービン圧縮機
の吸気を間接的に冷却するので、簡単な装置で外気温の
高いときのガスタービンコージェネレーション装置の出
力低下を防ぐことができる。ガスタービンコージェネレ
ーション装置は、たとえば地域冷暖房により熱媒が供給
される地域内のビルや、地域冷暖房プラント内に設置
し、ガスタービン圧縮機の吸気ラインに吸気冷却を行う
熱交換器と冷水配管とを設置するのみで、最低限の投資
で外気温度が高いときの出力低下を防止することができ
る。さらに、新たな冷凍機などを設置する必要がないの
で、ビル内の機械室などのスペースを有効に利用するこ
とができる。さらに、地域冷暖房により供給される冷水
は、たとえば５〜７℃の範囲で安定しているので、特別
な制御を行わなくても、吸気は過冷却にはならない。す
なわち、冷水自体の温度制御は行わなくても、ガスター
ビンコージェネレーション装置を効率的に運転すること
ができる。さらに、電力料金の高い夏期昼間においても
発電電力の低下がないので、ピーク電力時に対応して定
められる契約電力や、購入電力量を削減することができ
る。

【００３１】

【００３２】また本発明によれば、冷水制御弁の開度を
冷却する前の吸気温度または外気温度に従って調整し、
熱交換器に供給する冷水の流量によって吸気温度を制御
することができる。

【００３３】また本発明によれば、冷水ポンプを冷却す
る前の吸気温度または外気温度に従ってインバータ制御
し、熱交換器に供給する冷水の流量によって吸気温度を
制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基礎となる構成を含むコージェネレー
ション装置の概略的な系統図である。

【図２】図１のコージェネレーション装置８の吸気温度
に対する最大発電出力特性を示すグラフである。

【図３】本発明の一実施例を適用するコージェネレーシ
ョン装置の構成を示す系統図である。

【図４】本発明の他の実施例を適用するコージェネレー
ション装置の構成を示す系統図である。

【図５】本発明による吸気冷却器入口温度と吸気冷却器
熱負荷との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 吸気冷却器 ２ ガスタービン圧縮機 ３ 燃焼室 ４ ガスタービン ５ 発電機 ６ 排熱ボイラ ８ コージェネレーション装置 ９ 圧力検出器 １０ 圧力制御弁 １１ 冷水送り本管 １２ 冷水返り本管 １３ 冷水ポンプ １４ 冷水受入れ設備 ２４ 消音器 ２５ デミスタ ２６ 温度検出器 ２７，３５ 演算器 ２８ 流量検出器 ２９ 流量コントローラ ３０ バイパス管路 ３１，３２ 流量調整弁 ３３ インバータモータ ３７ 温度コントローラ ａ 吸気 ｂ 都市ガス ｃ 電力 ｄ 蒸気 ｅ 凝縮水 ｆ 冷水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河原 雄次 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番 １号 川崎重工業株式会社 神戸工場内 (56)参考文献 実開 昭54−127007（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地域冷暖房により冷水が供給可能な範囲
   内に設置されるガスタービンを含むコージェネレーショ
   ンシステムであって、 ガスタ一ビンの圧縮機の吸気ラインに設置される間接冷
   却用の熱交換器と、 地域冷暖房により供給される冷水を熱交換器に導き、圧
   縮機の吸気を冷却するための冷水制御弁と、 熱交換器によって冷却する前の吸気温度または外気温度
   を検出する温度検出器と、 温度検出器によって検出された温度に従って冷水制御弁
   の開度を調整するコントローラとを含むことを特徴とす
   るガスタービンコージェネレーションシステム。
2. 【請求項２】 地域冷暖房により冷水が供給可能な範囲
   内に設置されるガスタービンを含むコージェネレーショ
   ンシステムであって、 ガスタ一ビンの圧縮機の吸気ラインに設置される間接冷
   却用の熱交換器と、 地域冷暖房により供給される冷水を熱交換器に導き、圧
   縮機の吸気を冷却するためのインバータ制御される冷水
   ポンプと、 熱交換器によって冷却する前の吸気温度または外気温度
   を検出する温度検出器と、 温度検出器によって検出された温度に従って冷水ポンプ
   のインバータを制御するコントローラとを含むことを特
   徴とするガスタービンコージェネレーションシステム。